Токарный станок

Тока́рный стано́к — станок для обработки резанием (точением) заготовок из металлов, древесины и других материалов в виде тел вращения. На токарных станках выполняют черновое и чистовое точение цилиндрических, конических и фасонных поверхностей, нарезание резьбы, подрезку и обработку торцов, сверление, зенкерование и развёртывание отверстий и т. д. Заготовка получает вращение от шпинделя, резец — режущий инструмент — перемещается вместе с салазками суппорта от ходового вала или ходового винта, получающих вращение от механизма подачи.

Она включает, согласно классификации Экспериментального НИИ металлорежущих станков, девять типов станков, отличающихся по назначению, конструктивной компоновке, степени автоматизации и другим признакам.

Применение на станках дополнительных специальных устройств (для шлифования, фрезерования, сверления радиальных отверстий и других видов обработки) значительно расширяет технологические возможности оборудования.

Токарные станки, полуавтоматы и автоматы, в зависимости от расположения шпинделя, несущего приспособление для установки заготовки обрабатываемой детали, делятся на горизонтальные и вертикальные. Вертикальные предназначены в основном для обработки деталей значительной массы, большого диаметра и относительно небольшой длины.

Самые распространённые токарные станки в советское время — 1К62 и 16К20.

Токарный станок — древний инструмент. Самое раннее свидетельство о токарном станке восходит к Древнему Египту около 1300 года до нашей эры^[1]. Есть также незначительные доказательства его существования в микенской цивилизации, начиная с XIII или XIV века до н. э.^[2]

Четкие свидетельства изготовленных на станке артефактов были обнаружены в 6 веке до нашей эры: фрагменты деревянной чаши в этрусской гробнице в Северной Италии, а также две плоские деревянные тарелки с декоративными изготовленными на станке ободами в современной Турции^[3].

В период враждующих государств в Китае, около 400 г. до н. э., древние китайцы использовали токарные станки для заточки инструментов и оружия в промышленных масштабах^[4].

Первая известная картина, на которой изображен токарный станок, датируется 3 веком до нашей эры в Древнем Египте^[5].

Токарный станок был очень важен для промышленной революции. Он известен как «мать станков», поскольку это был первый станок, который привел к изобретению других станков^[6].

В 1717 году «придворный токарь Его Величества Император Петра Великого» Андрей Константинович Нартов впервые изобрёл токарно-винторезный станок с механизированным суппортом и набором сменных зубчатых колёс^[7]. В токарных станках той эпохи резец зажимался в особом держателе, который перемещали вручную, прижимая к обрабатываемому предмету. Качество зависело только от точности рук мастера, тем более, что в то время токарные станки уже применялись для обработки металлических, а не деревянных изделий. Нарезать резьбу на болты, наносить сложные узоры на обрабатываемый предмет, изготовить зубчатые колеса с мелкими зубчиками мог только очень искусный мастер. В своем станке Нартов не просто закрепил резец, но и применил следующую схему: копировальный палец и суппорт приводились в движение одним ходовым винтом, но с разным шагом нарезки под резцом и под копиром. Таким образом было обеспечено автоматическое перемещение суппорта вдоль оси обрабатываемой заготовки. Станок позволял вытачивать сложнейшие рисунки почти на любых поверхностях. Как это ни парадоксально, невзирая на все дальнейшие усовершенствования придуманного Нартовым механизированного суппорта, принцип его действия остался таким же и в наше время^[8]. Первые токарные станки Нартова хранятся в коллекции Эрмитажа как шедевры инженерного искусства XVIII века^[9].

Первый полностью задокументированный цельнометаллический токарный станок был изобретен Жаком де Вокансоном около 1751 года. Он был описан в «Энциклопедии».

Важным ранним токарным станком в Великобритании был горизонтальный сверлильный станок, который был установлен в 1772 году в Королевском Арсенале^[англ.] в Вулвиче. Он работал на лошадиной тяге и позволял производить гораздо более точные и мощные пушки, которые с успехом использовались в американской войне за независимость в конце XVIII века. Одной из ключевых характеристик этого станка было то, что в нем вращалась заготовка, а не инструмент, что делало его технически токарным станком. Генри Модсли, который позже много совершенствовал токарные станки, работал в Королевском Арсенале с 1783 года^[10]. Подробное описание токарного станка Вокансона было опубликовано за десятилетия до того, как Модслей усовершенствовал свою версию. Вполне вероятно, что Модсли не знал о работе Вокансона, поскольку в его первых версиях упора для скольжения было много ошибок, которых не было в токарном станке Вокансона.

Во время промышленной революции механизированная энергия, генерируемая водяными колесами или паровыми двигателями, передавалась на токарный станок посредством линейного вала, что позволяло быстрее и легче работать. Металлообрабатывающие токарные станки превратились в более тяжелые станки с более толстыми и жесткими деталями. Между концом XIX и серединой XX веков отдельные электродвигатели на каждом токарном станке заменили линейный вал в качестве источника энергии. Начиная с 1950-х годов сервомеханизмы применялись для управления токарными станками и другими станками с помощью числового управления, которое часто сочеталось с компьютерами для создания числового программного управления (ЧПУ). Сегодня в обрабатывающей промышленности сосуществуют токарные станки с ручным управлением и ЧПУ.

Доступны различные формы токарных станков в разных форматах и спецификациях. Есть деревообрабатывающие токарные станки, металлообрабатывающие станки и машины, используемые для декоративного точения, обработка стекла и алмазная обработка. Существуют легкие токарные станки, которые полезны для мягких работ, например, в мини-инструментальных комнатах или для практических применений или демонстраций. Существуют мощные токарные станки, используемые для массового производства на электростанциях, сталелитейных и бумажных фабриках, судостроительной и автомобильной промышленности, горнодобывающей промышленности, текстильной промышленности.

Токарно-винторезный станок предназначен для выполнения разнообразных токарных работ по чёрным и цветным металлам, включая точение конусов, нарезание метрической, модульной, дюймовой и питчевых резьб. Является наиболее известным и классическим среди всех металлорежущих станков.

Токарно-винторезные станки являются наиболее универсальными станками токарной группы и используются главным образом в условиях единичного и мелкосерийного производства. Конструктивная компоновка станков практически однотипна. Основными узлами принятого в качестве примера станка 16К20 являются:

• станина, на которой монтируются все механизмы станка;
• передняя (шпиндельная) бабка, в которой размещаются коробка скоростей, шпиндель и другие элементы;

• 

  коробка подач, передающая с необходимым соотношением движение от шпинделя к суппорту (с помощью ходового винта при нарезании резьбы или ходового валика при обработке других поверхностей);
• фартук, в котором преобразуется вращение винта или валика в поступательное движение суппорта с инструментом;
• задняя бабка, которая предназначена для поддержания второго конца изделия и придания ему определённого положения при обработке в центрах. Также задняя бабка используется для установки в ней различных режущих инструментов (сверл, зенкеров, разверток), посредством которых производится соответствующая обработка изделия;
• суппорт служит для закрепления режущего инструмента и сообщения ему движений подачи.

Суппорт состоит из нижних салазок (каретки), перемещающихся по направляющим станины. По направляющим нижних салазок перемещаются в направлении, перпендикулярном к линии центров, поперечные салазки, на которых располагается резцовая каретка с резцедержателями. Резцовая каретка смонтирована на поворотной части, которую можно устанавливать под углом к линии центров станка.

Основными параметрами станков являются наибольший диаметр обрабатываемой детали над станиной и наибольшее расстояние между центрами. Важным размером станка является также наибольший диаметр заготовки, обрабатываемой над поперечными салазками суппорта.

Токарно-винторезные станки по точности делятся на пять классов:

Главная особенность карусельного станка — вертикальное расположение оси вращения. Эти станки предназначены для любой токарной обработки (точение и растачивание цилиндрических и конических поверхностей, подрезка торцов, прорезание канавок, нарезание резьбы резцом) деталей больших габаритов. При оснащении станка дополнительными устройствами на них можно точить фасонные поверхности по копиру. При установке приспособлений на карусельном станке можно производить фрезерование и шлифование.

Основным узлом является стол с планшайбой, на которой крепится заготовка. По двум стойкам, соединенным порталом (аналог направляющих), перемещается траверса. На траверсе находится два суппорта. Правый суппорт — револьверный. Он состоит из продольной каретки и ползуна, перемещающегося вертикально. На ползуне расположена револьверная головка. В отверстия револьверной головки устанавливается державки с инструментом. Револьверный суппорт используется при подрезании торцов при сверлении отверстий, иногда для обработки наружных поверхностей. Второй суппорт называется расточным суппортом. Он состоит из продольной каретки, на которой устанавливается поворотная часть, на которой есть ползун, на который устанавливается резцедержатель. Расточной суппорт используется при растачивании отверстий, прорезания внутренних канавок и при обработке конических поверхностей. На правой стойке расположен боковой суппорт. Он состоит из продольной каретки, ползуна и резцедержателя и предназначен для обработки наружных поверхностей.

Характеризующим размером карусельных станков является диаметр планшайбы. В зависимости от этого размера бывают одностоечные (с диаметром планшайбы ≤ 2000 мм) и двухстоечные станки (с диаметром свыше 2000 мм).

Движения в станке:

• главное движение — вращение планшайбы с заготовкой;
• движение подачи — перемещение суппортов;
• вспомогательное движение — перемещение траверсы; это движение нужно для подвода инструмента ближе к заготовке.

Станок с относительно короткой станиной и высоким расположением оси вращения (например, 1А693), предназначенный для обтачивания коротких деталей большого диаметра, преимущественно с торца («по лбу»). Часто не имеют задней бабки. Благодаря значительному количеству пространства и вращению шпинделя в горизонтальной плоскости, лобовые станки подходят для обработки многотонных деталей малой длины. Однако, ввиду серьёзных нагрузок на шпиндельную группу и трудности в монтаже заготовок лобовые станки часто заменяются в производстве карусельными станками.

Токарно-револьверный станок применяется для обработки заготовок или деталей из калиброванного прутка.

На станке производятся следующие виды токарной обработки: точение, расточка, сверление, зенкерование, развёртывание, фасонное точение, создание резьб метчиками, плашками и резцами осуществляется роботом.

Автоматы продольного точения используют при изготовлении мелких серийных деталей из холоднотянутого, калиброванного прутка, фасонного профиля и свёрнутой в бунт проволоки.

Автомат может выполнять точение различных материалов — от меди до легированных сталей.

Преимущественно автоматы продольного точения применяются в крупном и массовом производстве, но могут быть также использованы в серийном производстве при проектировании и изготовлении необходимой оснастки для выпуска специальных групп деталей с максимально возможным использованием одного и того же комплекта кулачков, зажимных и подающих цанг, державок и инструментов.

Устройство токарного автомата с неподвижной шпиндельной бабкой следующее. На верхней плоскости станины закреплена шпиндельная бабка. На её передней плоскости имеется платик для установки специальных приспособлений. На задней плоскости бабки имеется качающийся упор, а на верхней — вертикальный суппорт. На верхней плоскости станины находятся также приводы приспособлений, привод шпинделя, либо револьверной головки, приводы поперечных суппортов. Вместо токарного патрона в автомате продольного точения используется цанговый. Такое решение обусловлено малыми размерами обрабатываемой детали. При этом для автоматов продольного точения применяют специальные цанги.

Токарный автомат с подвижной шпиндельной бабкой называется автоматом «швейцарского типа» («Swiss type»).

Управление автоматом происходит через систему кулачков и распределительных валов, смонтированных в станине автомата. Также возможна установка систем ЧПУ с приводами подач и приводного инструмента.

Различают одношпиндельные и револьверные автоматы продольного точения. В отличие от одношпиндельных, револьверные автоматы могут выполнять одновременно несколько различных операций точения для различных деталей, зафиксированных в револьверном шпинделе автомата.

Автоматы предназначены для токарной обработки сложных и точных деталей из калиброванного холоднотянутого прутка круглого, шестигранного и квадратного сечения или из труб в условиях серийного производства.

На них можно выполнять: черновое, чистовое и фасонное точение, подрезку, сверление, растачивание, зенкерование, развёртывание, резьбонарезание, отрезку, накатывание резьбы.

Достаточная мощность привода и жёсткость конструкции обеспечивают высокую производительность. Некоторые модели могут одновременно выполнять более одной операции, что серьёзно повышает производительность таких станков.

Обрабатывающий центр совмещает функции токарного и фрезерного станков. Хотя на револьверных станках с приводным револьвером можно осуществлять фрезерование и сверление, однако возможности таких станков существенно ограничены подвижностью револьвера. Для решения этой проблемы в обрабатывающих центрах есть фрезерная голова под конус HSK или Capto (реже стандартный конус ISO либо BT) Конусы HSK и Capto позволяют устанавливать токарный резец прямо во фрезерную голову, что позволяет осуществлять операцию точения. При этом можно использовать резцы с квадратным сечением хвостовика, зажатые в специальную переходную оправку (чаще применяется на HSK-шпинделях), либо резцы со специальным хвостовиком (характерно для Capto-шпинделей).

Таким образом один и тот же шпиндель фрезерной головы используется как для вращающегося, так и для статического инструмента.

Смена инструмента осуществляется автоматическим сменщиком инструмента. На обрабатывающих центрах используют инструмент со сменными твердосплавными пластинами, либо цельный. Напайной инструмент, как правило, не используется.

Станок может иметь и револьверную голову, но такая компоновка редко используется.

Обрабатывающие центры предназначены, прежде всего, для обработки сложных деталей, требующих как операции точения, так и фрезерования, например, таких, как коленвал.

Развитие вычислительной техники привело к созданию станков с программным управлением. В СССР выпускалось большое количество типов станков с ЧПУ — 16К20 («Красный пролетарий», Москва), 16Б16 (Куйбышев), ЛА155 (Ленинград) и др. Станки с ЧПУ заняли нишу между универсальными и агрегатными станками при производстве большой номенклатуры продукции (обеспечивается библиотекой программ обработки) относительно небольшими партиями (десятки и сотни штук). Малое время переналадки и высокая повторяемость обработки на станках с ЧПУ позволили резко увеличить выход годных деталей при многооперационной обработке. Базовыми системами ЧПУ в СССР были НЦ-31 и 2Р22 (токарная группа) и 2С42 и 2Р32 (фрезерная группа).

Сегодня ведущие производители станков с ЧПУ — Китай, Тайвань, США, Испания, Италия, Япония и Германия.

• Токарный патрон
• Суппорт
• Планшайба
• Люнет
• Расточные станки

• Электропривод токарных станков
• Два документа XVII века, касающихся токарного дела в Пушкарском приказе
• Все про токарные станки